VCS3020S語(yǔ)音通信系統(tǒng)分析

張 宇

（山西空中交通管理分局，山西 太原 030031）

VCS3020S語(yǔ)音通信系統(tǒng)是由奧地利FREQUENTIS公司生產(chǎn)的。該系統(tǒng)為管制員提供了穩(wěn)定、可靠、人性化的調(diào)度指揮平臺(tái)，滿足了區(qū)域控制中心日益增長(zhǎng)的航管通信的需要，并且VCS3020S語(yǔ)音通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可提供足夠的系統(tǒng)容量保證未來(lái)航管通信的需要，目前的系統(tǒng)可以經(jīng)濟(jì)可靠的進(jìn)行擴(kuò)容和升級(jí)。文章對(duì)VCS3020S語(yǔ)音通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，以進(jìn)一步了解該系統(tǒng)的工作原理，了解未來(lái)綜合空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中語(yǔ)音通信應(yīng)用特點(diǎn)。

1 VCS3020S的體系結(jié)構(gòu)

VCS3020S是基于兩個(gè)完全相同、并行工作的交換核心的全數(shù)字、無(wú)阻塞的語(yǔ)音通信系統(tǒng)。系統(tǒng)中的語(yǔ)音信號(hào)全部是用脈沖碼調(diào)制（PCM）實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化信號(hào)，在交換核心中，話音和無(wú)線通信的數(shù)據(jù)信號(hào)使用時(shí)分多路（TDMA）協(xié)議在高速數(shù)據(jù)通道中傳輸。

核心系統(tǒng)包括兩個(gè)并行運(yùn)行的交換器（系統(tǒng)A和系統(tǒng)B），語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等相關(guān)信號(hào)（如PTT、SQUELCH）以同樣的優(yōu)先級(jí)同時(shí)通過(guò)A、B交換器進(jìn)行傳輸。在正常的工作狀態(tài)下，活動(dòng)的交換信息在兩個(gè)系統(tǒng)中一直有效，為錯(cuò)誤冗余提供保證。語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通過(guò)雙通道通過(guò)核心系統(tǒng)，并行工作的核心系統(tǒng)提供了與熱備份相似的許多優(yōu)點(diǎn)：①?zèng)]有主機(jī)——熱備份機(jī)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間；②呼叫和數(shù)據(jù)不會(huì)由于核心系統(tǒng)組件的失效而丟失；③無(wú)須激活備用組件就可以檢測(cè)其可用性（基于熱備份體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)須進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)）；④語(yǔ)音、數(shù)據(jù)的雙路傳輸提供信號(hào)傳輸?shù)娜哂嘈?；⑤監(jiān)視系統(tǒng)支持雙路子系統(tǒng)的LRU級(jí)檢測(cè)（line replaceable unit）。

HDLC數(shù)據(jù)耦合網(wǎng)和PCM/TDMA語(yǔ)音高速通路形成了VCS3020S語(yǔ)音通信系統(tǒng)的主干。一旦PCM/TDMA高速通路響應(yīng)無(wú)線通信的話音和信號(hào)，HDLC網(wǎng)開(kāi)始處理模塊之間的控制數(shù)據(jù)流以及語(yǔ)音交換與TMCS之間系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳送，此外，HDLC控制器還發(fā)送建立呼叫所必須的數(shù)據(jù)。

1.1 HDLC數(shù)據(jù)耦合網(wǎng)

數(shù)據(jù)耦合之間的通信基于HDLC協(xié)議。在VCS3020S體系結(jié)構(gòu)中，所有的數(shù)據(jù)耦合器按層次分布形成一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。在分層的最頂端，主數(shù)據(jù)耦合器提供語(yǔ)音交換和TMCS之間的接口。備用數(shù)據(jù)耦合器在樹(shù)型結(jié)構(gòu)的第二層，每一個(gè)耦合器提供與16個(gè)JIF板相連的接口，JIF板連接操作席位和接口單元。數(shù)據(jù)耦合器、JIF板和外圍設(shè)備形成通信樹(shù)，為語(yǔ)音通信系統(tǒng)各模塊和TMCS之間的控制數(shù)據(jù)流提供通路。由于語(yǔ)音交換的并行結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)A和系統(tǒng)B均有各自的HDLC網(wǎng)。兩個(gè)網(wǎng)自主運(yùn)行，彼此獨(dú)立、沒(méi)有互連。

1.2 PCM/TDMA技術(shù)

數(shù)字交換系統(tǒng)可以直接處理、傳送與交換數(shù)字信息，抗干擾性強(qiáng)，易于分多路復(fù)用，便于加密，適于信號(hào)處理與控制。話音信號(hào)數(shù)字化的方法很多，其中，脈沖編碼調(diào)制（PCM）就是目前常采用的一種數(shù)字化方法。

在VCS3020S語(yǔ)音交換系統(tǒng)中，為提高傳輸速率和交換容量，常采用PCM30復(fù)用方式。對(duì)于PCM基群系統(tǒng)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中還有一種復(fù)用制式：24路幀結(jié)構(gòu)。對(duì)于VCS3020S系統(tǒng)采用的30/32路制式，幀長(zhǎng)為本25us，幀頻為8 kHZ，一幀包含32個(gè)時(shí)隙（TS0-TS31），而只傳送30路話音編碼信息。每時(shí)隙為8比特，占3.9us，顯然每幀共有256位碼，碼長(zhǎng)為0.488us，其中TS1-TS15、TS17-TS31時(shí)隙依次傳遞第1~30路話音各自的8位編碼組，TS0的后7位傳遞接收端作路序標(biāo)志用的幀同步碼（0011011），TS16傳遞各路控制標(biāo)志信號(hào)與復(fù)幀同步碼,每路碼率為64 kb/s，復(fù)用碼流速率為2 048 kb/s。VCS3020S系統(tǒng)中還有一種稱為PCM64的高速交換主干，復(fù)用碼流速率為4 096 kb/s。

VCS3020S語(yǔ)音交換的主干基于兩條高速PCM音頻線路，分別用于系統(tǒng)A和系統(tǒng)B，采用ITU-T G.711建議的幀結(jié)構(gòu)。每條PCM/TDMA高速通路包括并列的32路物理線路，可以直接接入32個(gè)JIF板。假如系統(tǒng)的JIF板超過(guò)32個(gè)，可以將兩個(gè)JIF板通過(guò)ISO板復(fù)用接入到一個(gè)物理線路，這樣VCS3020系列的最大容量為64個(gè)JIF板*32時(shí)隙/JIF板=2 048時(shí)隙，每一個(gè)時(shí)隙可以接一個(gè)單獨(dú)的語(yǔ)音源（例如：一個(gè)席位、無(wú)線通路或者一個(gè)電話）。

除了兩個(gè)核心系統(tǒng)外，以下重要的系統(tǒng)組件也是雙備份的：①系統(tǒng)時(shí)鐘；②處理電路板上的驅(qū)動(dòng)線；③無(wú)線電接口；④接口控制總線；⑤每個(gè)接口的鈴聲產(chǎn)生器。

在VCS3020S系統(tǒng)中所有冗余組件都有專用的總線，語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通道都是雙路的，這樣就可保證由于某一個(gè)組件故障引起該通道阻塞的情況下，故障影響范圍最小。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信號(hào)同步，VCS3020S系統(tǒng)的主時(shí)鐘作為中央同步參考點(diǎn)，主時(shí)鐘同步系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的兩個(gè)副時(shí)鐘正常工作時(shí)，副時(shí)鐘1同步系統(tǒng)A；副時(shí)鐘2同步系統(tǒng)B；在副時(shí)鐘失效時(shí)，相應(yīng)系統(tǒng)停止運(yùn)行，但另一個(gè)系統(tǒng)不會(huì)中斷。假如主時(shí)鐘失效，其中一個(gè)副時(shí)鐘將接管其功能，此時(shí)由于不能保證A、B兩系統(tǒng)之間的同步，將關(guān)閉另一時(shí)鐘，并有計(jì)劃地關(guān)閉相應(yīng)的系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)為單機(jī)狀態(tài)，沒(méi)有冗余。席位、無(wú)線電設(shè)備和電話均通過(guò)兩條2MBITS/S PCM30線路連接到核心系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的接入板GPIFa和GPIFb互為備用的，雙路連接增強(qiáng)了線路和內(nèi)部硬件接口的冗余度。正常工作時(shí)，GPIFa和b其中有一個(gè)處于熱備份狀態(tài)，假如主用失效了，備用GPIF轉(zhuǎn)為主用，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為1 s。

通過(guò)分析該系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)空中交通管制所需的系統(tǒng)性能，VCS3020S采用了非常穩(wěn)固的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)上提供了極高的容錯(cuò)性、可靠性和冗余性，模塊化的設(shè)計(jì)和熱插拔功能提供了極高的可維護(hù)性。例如在進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)清潔時(shí)，利用系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以在保障系統(tǒng)正常工作的情況下進(jìn)行維護(hù)。

1.2 患者分組及處理 將患者隨機(jī)分為低劑量組(n=21)和標(biāo)準(zhǔn)劑量組(n=19)，分別接受阿替普酶0.6 mg/kg(最大60 mg)、0.9 mg/kg(最大90 mg)靜脈溶栓治療。兩組患者年齡，性別，血壓，發(fā)病至溶栓時(shí)間，血小板計(jì)數(shù)、血糖、尿酸、血脂、超敏C反應(yīng)蛋白、同型半胱氨酸、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化比值、血漿纖維蛋白原水平，高血壓、糖尿病、既往腦梗死、房顫發(fā)病率，以及基線美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院卒中量表(NIHSS)評(píng)分差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，具有可比性(表1)。

2 軟件體系結(jié)構(gòu)概述

VCS3020S系統(tǒng)軟件的體系結(jié)構(gòu)提供了結(jié)構(gòu)化功能組件的分解，將應(yīng)用軟件和核心基礎(chǔ)軟件相隔離，可以更好地滿足用戶的需要。分層的軟件結(jié)構(gòu)確保在系統(tǒng)將來(lái)發(fā)展過(guò)程中底層核心部件被保護(hù)。使用這種分層策略的語(yǔ)音交換系統(tǒng)在對(duì)安全和可靠性要求極高的空中交通管制的應(yīng)用中提供了更好的發(fā)展和使用性能：①經(jīng)過(guò)完善定義和論證提供可靠實(shí)時(shí)的分布式多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)；②完善的部件和接口設(shè)計(jì)為質(zhì)量和可靠性提供最大的保證。

2.1 分布式體系結(jié)構(gòu)

VCS3020S的分布式思想基于內(nèi)部互連處理部件陣列，每一個(gè)處理部件在整個(gè)系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)特定的角色。ISO7層模型為所有處理器之間的內(nèi)部通信提供了可靠的結(jié)構(gòu)，形成了VCS3020S分布式體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

ISO模型下面的5層提供系統(tǒng)級(jí)的通信基礎(chǔ)，為應(yīng)用過(guò)程在系統(tǒng)中提供可靠的數(shù)據(jù)信息交換。這部分也負(fù)責(zé)創(chuàng)建內(nèi)部過(guò)程狀態(tài)關(guān)系的完整性維護(hù)（如：操作員對(duì)通道、電話中繼線的選用狀態(tài)）和相關(guān)的內(nèi)部通信鏈路。6~7的兩層用于應(yīng)用軟件。

（1）Layer6-表示層。該模型的表示層提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信下部構(gòu)造（1~5層）和應(yīng)用層（7層）之間的接口。該層實(shí)現(xiàn)的基本的呼叫處理功能是系統(tǒng)中無(wú)線和電話資源控制、通信等功能的基礎(chǔ)。

（2）Layer7-應(yīng)用層。為完成事物操作和邏輯交互應(yīng)用層提供了使用核心功能的途徑，完成用戶所需的操作功能。應(yīng)用層提供電話號(hào)碼、頻率通道標(biāo)識(shí)和系統(tǒng)中相關(guān)的物理硬件地址之間的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)層次通過(guò)結(jié)構(gòu)化途徑容易實(shí)現(xiàn)用戶的需求，不會(huì)與核心功能沖突。核心系統(tǒng)和用戶專用功能軟件之間的隔離性是系統(tǒng)質(zhì)量、穩(wěn)定性和完整性維護(hù)的關(guān)鍵。

2.2 通信底層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部過(guò)程

軟件網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中的1~5層提供操作功能控制信息端到端（過(guò)程到過(guò)程）的可靠通信。下面對(duì)每一層進(jìn)行說(shuō)明：

（1）layer1-物理層：物理層定義內(nèi)部通信鏈路的硬件實(shí)現(xiàn)。在VCS3020S系統(tǒng)中物理層支持串行數(shù)據(jù)傳輸（如：RS485）和數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)傳輸（如：G703）。

（3）Layer3-網(wǎng)絡(luò)層：這一層完成終端進(jìn)程的物理定位和系統(tǒng)中的通信路由功能。將第四層送來(lái)的消息路由到正確的目的地。

（4）Layer4-傳輸層：這一層實(shí)現(xiàn)端到端消息的路由，它獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在VCS3020S中提供多任務(wù)庫(kù)（MULTI-LIB）。

（5）layer5-對(duì)話層：提供虛擬的處理過(guò)程之間端到端的連接。通過(guò)監(jiān)視故障狀態(tài)維護(hù)會(huì)話層建立的鏈路完整性。VCS3020S在會(huì)話層完成控制數(shù)據(jù)交換、語(yǔ)音數(shù)據(jù)交換并提供觸摸屏和相應(yīng)外圍席位處理器之間的鏈路。

這種體系策略作為VCS3020S分布式交換體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。從這個(gè)角度看，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)包含所有自治的、松散耦合的異步處理器組成的陣列。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)消息交換進(jìn)行內(nèi)部通信來(lái)提供用戶所需的操作性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

VCS3020S系統(tǒng)采用全分布式體系結(jié)構(gòu)，是具有高度可靠性、容錯(cuò)性和冗余性的完全無(wú)阻塞式的語(yǔ)音通信系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，F(xiàn)REQUENTIS VCS3020S語(yǔ)音通信系統(tǒng)支持歐洲空中交通管理局（EUROCONTROL）推薦的信令協(xié)議MFC-R2或MFC-NO.5的模擬線路的語(yǔ)音通信，VCS3020S語(yǔ)音通信系統(tǒng)的全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)性能使其成為了將來(lái)綜合空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中語(yǔ)音通信的極具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。